Взаимодействие радиоактивных излучений с веществом

Все виды ядерных излучений могут быть обнаружены только по их взаимодействию с веществом. При прохождении через вещество радиоактивные излучения взаимодействуют с атомами среды, т.е. с электронами и ядрами. Обнаружение и регистрация излучений, выбор материала для защиты, оценка биологического действия излучений основаны на эффектах, которые возникают при взаимодействии излучений с веществом. Механизм прохождения через вещество каждого вида излучений разный.

Взаимодействие рентгеновских и γ-излучений осуществляется тремя основными механизмами (способами): при помощи фотоэлектрического поглощения (фотоэффекта), комптоновского рассеяния (комптон-эффекта), образования электронно-позитронных пар.

Фотоэффект. При фотоэлектрическом эффекте энергия падающего кванта полностью поглощается веществом, в результате чего появляется свободный электрон, обладающий определенной кинетической энергией, величина которой равна энергии кванта излучения за вычетом работы выхода данного электрона из атома (электрон покидает границы атома). Вероятность фотоэффекта увеличивается с ростом энергии связи электронов в атоме. Обычно выбивается электрон из К-слоя (в 80% случаев). Свободный электрон, ассоциируясь с одним из нейтральных атомов, порождает отрицательный ион. Атом, потерявший электрон, становится возбужденным. «Вакантное» место К-электрона (выбитого из атома) заполняется электроном из L-слоя, на L-слой переходит электрон из М-слоя и т.д. При этом высвечивается один или несколько квантов характеристического рентгеновского излучения. Характеристическое излучение – фотонное излучение, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. Энергия рентгеновских квантов, образовавшихся при фотоэффекте достигает 0,1 МэВ (т.к. достаточно большая энергия). Однако энергия, излучаемая легкими атомами вторичных фотонов малая и такие фотоны сразу же поглощаются веществом.

Фотоэффект характерен только для длинноволнового рентгеновского излучения. Фотоэлектрическое поглощение преобладает тогда, когда энергия гамма-кванта не превышает 0,05 МэВ. Фотоэффект идет интенсивней в более тяжелых ядрах (железо, медь, свинец и т.д.). Фотоэффект невозможен на слабосвязанных и свободных электронах (не связанных с атомами), так как они не могут поглощать гамма-кванты. В воздухе, воде и биологических тканях фотоэлектрическое поглощение составляет 50% при энергии гамма-квантов порядка 60 кэВ. Таким образом, фотоэффект является главным процессом поглощения при относительно малых энергиях ионизирующих излучений, когда часть энергии первичных фотонов превращается в кинетическую энергию электронов, часть в энергию характеристического излучения.

Эффект Комптона. Для излучений с энергией, значительно превышающей внутриатомные энергии связи (> 1 МэВ) главную роль в ионизации приобретает эффект Комптона (обычно от 200 кэВ до 2 МэВ). При комптон-эффекте происходит упругое рассеяние падающих фотонов излучения на электронах внешних слоев атомов облучаемого вещества, которые можно считать не связанными (свободными), так как чем дальше удален электронный слой от ядра, тем меньше энергия связи ее электронов с ядром. Гамма-квант, сталкиваясь с электронами, передает им не всю свою энергию, а только часть ее и после соударения изменяет свое направление, т.е. рассеивается. Вследствие соударения с гамма-квантами электроны (электроны отдачи) приобретают значительную кинетическую энергию и расходуют ее на ионизацию вещества (вторичную ионизацию). Оставшуюся часть энергии выносит новый фотон (вторичный, который образовался в результате взаимодействия первичного фотона с веществом). Вторичные фотоны имеют меньшую энергию, большую длину волны и другое направление. В дальнейшем вторичный фотон может вновь претерпевать комптон-эффект и т.д. Комптоновское рассеяние возможно на свободных электронах.

Энергия электронов отдачи, образующихся при эффекте Комптона, изменяется в широких пределах (от нуля до некоторого максимального значения). Средняя их энергия возрастает с увеличением энергии падающего излучения.

Образование электронно-позитронных пар. Третий вид взаимодействия излучений с веществом - превращение гамма-кванта больших энергий (свыше 1 МэВ) в пару заряженных частиц – эффект образования пары элекрон-позитрон. Гамма-кванты, проходя через вещество, превращаются под действием сильного электрического поля вблизи ядра атома в пару частица-античастица: «электрон-позитрон». При этом одна форма материи – гамма излучение преобразуется в другую – в частицы вещества. Вероятность образования пары «электрон-позитрон» для тяжелых элементов больше, чем для легких.

Образовавшаяся электронно-позитронная пара в дальнейшем исчезает (аннигилирует), превращаясь в два вторичных гамма-кванта с энергией, равной энергетическому эквиваленту массы покоя частиц позитрона и электрона (0,511 МэВ). Вторичные гамма-кванты способны вызвать лишь комптон-эффект и в конечном счете фотоэффект, т.е. терять энергию только при соударении с электронами. Процесс образования пар увеличивается с возрастанием энергии гамма-квантов и плотности поглотителя.

Таким образом, в зависимости от энергии падающего электромагнитного излучения преобладает тот или иной вид его взаимодействия с веществом. В большинстве случаев при облучении биологических объектов энергия используемого электромагнитного излучения находится в диапазоне 0,2 - 2 МэВ, поэтому наиболее вероятен эффект Комптона.

В результате каждого из трех процессов взаимодействия излучения с веществом в облученной среде возникает большое количество быстро движущихся электронов. Значительная часть их обладает энергией, достаточной для ионизации вещества.

Электромагнитные излучения ионизацию непосредственно не вызывают, но при взаимодействии с веществом образуют фотон и комптоновские электроны, которые в свою очередь ионизируют среду – поэтому их называют косвенно ионизирующим излучением.

Взаимодействие заряженных частиц с веществом. Механизм передачи энергии заряженными частицами облучаемому веществу один и тот же. При прохождении через вещество заряженная частица теряет свою энергию, вызывая ионизацию и возбуждение атомов до тех пор, пока общий запас энергии уменьшается настолько, что частица утратит ионизирующую способность.

В зависимости от знака заряда при пробеге частицы в веществе она, испытывая электростатическое взаимодействие, притягивается или отталкивается от положительно заряженных ядер. Чем больше масса летящей частицы, тем меньше она отклоняется от первоначального направления. Поэтому траектория протонов и более тяжелых ядерных частиц практически прямолинейна, а траектория электронов сильно изломана вследствие рассеяния (отклонения) на орбитальных электронах и ядрах атомов. Этот вид взаимодействия легких частиц (электронов), при котором практически меняется лишь направление их движения, а не энергия, называют упругим рассеянием. При этом взаимодействии электрон передает лишь небольшую часть своей энергии ядру и меняется первоначальное направление движения. При прохождении электрона очень высокой энергии вблизи ядра наблюдается неупругое рассеяние (торможение). При этом скорость летящего электрона снижается, и часть его энергии испускается в виде фотона тормозного излучения. Тормозное излучение – это фотонное излучение, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженной частицы. При неупругом рассеянии наблюдается также взаимодействие частиц с электронами облучаемого вещества, вызывающее ионизацию или возбуждение атомов.

Траектория электрона в веществе имеет сложный вид, связанный с характером взаимодействия. На начальном участке траектория электрона рассеивается на небольшие углы и траектория его мало отличается от прямой линии. С уменьшением энергии электрона (а она колеблется от 20 кэВ до 13,5 МэВ) угол рассеяния увеличивается и электрон начинает двигаться по извилистой кривой.

Таким образом, основными результатами взаимодействия электронов высокой энергии с веществом являются следующие:

1. При неупругих столкновениях энергия затрачивается на ионизацию и возбуждение атомов среды, частично на преобразование в тормозное излучение.
2. При упругих столкновениях энергия преобразуется непосредственно в тепловое движение.
3. В легких веществах (Z≤ 13) тормозное излучение становится заметным при энергиях электрона больших чем 10 МэВ. При меньших энергиях преобладают потери энергии на ионизацию.
4. Первичные электроны создают положительные ионы и вторичные электроны, последние могут обладать энергией, достаточной для ионизации. На долю вторичных ионизаций приходится до 70% общей ионизации. При замедлении вторичные электроны могут создавать отрицательные ионы.
5. Траектория электронов при больших энергиях близкая к линейной. При уменьшении энергии электрон из-за рассеяния начинает двигаться по извилистой кривой.
6. Глубина проникновения электронов в веществе прямо пропорциональна их энергии и обратно пропорциональна плотности вещества.

Тяжелые заряженные частицы - протоны, дейтроны, альфа-частицы, осколки деления, аналогично электронам, затрачивают большую часть своей энергии на ионизацию, возбуждение атомов, а также на взаимодействие с кулоновским полем ядра и электронов (тормозное излучение). В значительной степени эти процессы вызваны электронами, которые образовались в процессе первичной ионизации.

Отличительной чертой тяжелых частиц, в сравнении с быстрыми электронами той же энергии, является их более медленное движение из-за большой массы. При энергии в несколько МэВ ионизационные потери для альфа-частиц в 1000 раз большие, чем для электронов. В результате этого путь электронов в веществе (глубина проникновения) значительно больше, чем путь альфа-частиц.

Как известно, величина энергии, которая излучается какой-либо частицей, прямо пропорциональна квадрату ее ускорения и обратно пропорциональна массе частицы. Из этого вытекает, что радиационные потери тяжелых заряженных частиц (т.е. потери на тормозное излучение) небольшие.

Столкновение тяжелой частицы с легким электроном не может вызвать значительного отклонения ее от первоначального направления движения, поэтому их путь в веществе прямолинейный.

Тяжелые частицы, как и электроны, передают энергию порциями. Максимальная энергия вторичных электронов определяется энергией падающих частиц. Так, при столкновении альфа-частицы энергией в 5 МэВ с электроном, последний приобретает энергию около 2700 эВ. Этой энергии достаточно для осуществления вторичной ионизации (ведь потенциал ионизации в воздухе равен 34 эВ).

Основными результатами взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом являются следующие:

1. Прохождение тяжелых заряженных частиц через вещество сопровождается образованием ионов, возбуждением атомов.
2. Ионизационные потери намного большие, чем при облучении электронами, соответственно пробег тяжелых частиц в веществе намного меньше пробега электронов.
3. Траектория движения из-за большой массы частицы мало отличается от линейной. Скорость тяжелых заряженных частиц существенно меньше скорости движения электронов.
4. Потери энергии частиц на тормозное излучение незначительно.
5. Максимальная энергия передается веществу вблизи конца пробега частицы.

Взаимодействие атомов деления с веществом. Осколки деления представляют собой многозарядные (заряд достигает 20) ионы с массовым числом 72-166, которые возникают при делении ядер тяжелых изотопов: ²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Рu.

В процессе деления возникает около 80 первичных продуктов деления, из них только шесть стабильные. Массовые числа осколков легких изотопов находятся в области А=72-116, (Br, Kr, Zn, Y, Mo, Ru), тяжелых изотопов – в области А=117-166 (Te, J, Xe, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sb).

Энергия осколков составляет от 40 до 120 МэВ. Эта энергия в основном затрагивается на ионизацию и возбуждение атомов и молекул. Важную роль играют также столкновения осколков с ядрами.

Отличительной чертой процесса замедления осколков в веществе – постепенное уменьшение заряда по всей длине пробега. В противоположность ионизационному эффекту, вызываемому альфа-частицами, плотность ионизации понижается к концу трека. С уменьшением заряда уменьшаются потери на ионизацию и возбуждение и увеличиваются потери на упругое столкновение с ядрами.

Взаимодействие нейтронов с веществом. Характер взаимодействия нейтронов с веществом зависит от их энергии. В отличие от заряженных частиц нейтроны не несут электрического заряда, что позволяет им беспрепятственно проникать в глубь атомов. Сверхбыстрые нейтроны с энергией в 10-50 МэВ при взаимодействии с тяжелыми элементами вызывают деление их ядер (ядро делится на 2-3 осколка). При этом высвобождается колоссальная энергия (около 200 МэВ) и вылетают 2-3 свободных нейтрона, которые способны вызвать деление других ядер. Так возникает цепной процесс деления ядер. Наибольшее значение имеют быстрые нейтроны. Достигая ядер, они либо поглощаются ими, либо рассеиваются на них. Т.е. основным видом взаимодействия нейтронов с веществом является взаимодействие с атомными ядрами. В этих взаимодействиях нейтроны могут претерпевать упругое и неупругое рассеивание, порождать заряженные частицы и гамма-кванты, вызывать деление некоторых ядер и т.д. Достигая ядер вещества, быстрые нейтроны тратят энергию крупными порциями, расходуя ее на возбуждение ядер или их расщепление. В результате одного или нескольких столкновений с ядрами энергия нейтрона становится меньше минимальной энергии возбуждения (от десятков кэВ до нескольких МэВ). После этого рассеяние нейтрона ядром становится упругим. При упругом рассеивании нейтрон передает часть своей энергии ядру, с которым он столкнулся. При этом он замедляется и изменяет направление движения. После ряда столкновений замедленный нейтрон захватывается ядром. При упругом рассеянии на ядрах углерода, азота, кислорода и других элементов, нейтрон теряет лишь 10-15% энергии, а при столкновении с почти равными с ним по массе ядрами водорода – протонами, энергия нейтронов уменьшается в среднем вдвое, передаваясь протону отдачи (при этом образуется нейтрон с меньшей энергией). Поэтому вещества, содержащие большое количество атомов водорода (вода, бериллий, графит, парафин) используются для защиты от нейтронного излучения: в них нейтроны быстро растрачивают свою энергию и замедляются. В результате упругого рассеяния нейтронов образуются сильноионизирующие протоны.

Ядро, захватившее нейтрон, становится возбужденным. Переход из возбужденного в основное состояние возможно разными путями: ядро может излучить нейтрон меньшей энергии и один или несколько гамма-квантов, заряд ядра не меняется; в процессе распада могут образовываться ядра меньшего или большего заряда и излучаться заряженные частицы – электрон, позитрон, альфа-частица, протон и др.; захват нейтрона может сопровождаться делением некоторых ядер. Образовавшиеся гамма-кванты и частицы также способны производить ионизацию. При таких ядерных реакциях могут образовываться радиоактивные изотопы элементов и возникать наведенная радиоактивность, в свою очередь тоже вызывающая ионизацию. Ионизируют вещество, наконец, и сами ядра отдачи, возникающие при ядерных превращениях.

Медленные нейтроны сразу захватываются ядрами атомов, в результате чего образуются новые стабильные или радиоактивные изотопы. В водородосодержащих веществах ядра водорода захватывают медленные нейтроны и превращаются в ядра тяжелого водорода – дейтерия. Захват нейтронов сопровождается испусканием гамма-квантов с энергией в 2,18 МэВ

₁¹Н + ₀¹n ®₁²He+ γ-изл.

Таким образом, и при нейтронном облучении конечный биологический эффект связан с ионизацией, производимой опосредованно вторичными частицами или фотонами.

Дата добавления: 2014-01-15